[论文解读] Structural transitions and transport-half-metallic ferromagnetism in LaMnO3 at elevated pressure

Jiangang He, Mingxing Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 3

一句话总结

本研究采用杂化密度泛函理论，证明在高压下，LaMnO3 会经历从反铁磁绝缘体到铁磁输运半金属的结构转变，该转变由焦恩-特勒畸变的抑制以及高自旋到低自旋的转变所驱动。由此产生的半金属态具有高达 92% 的自旋极化率，表明未掺杂的 LaMnO3 在无需掺杂的情况下可表现出巨大的磁阻效应。

ABSTRACT

By means of hybrid density functional theory we investigate the evolution of the structural, electronic and magnetic properties of the colossal magnetoresistance (CMR) parent compound LaMnO$_3$ under pressure. We predict a transition from a low pressure antiferromagnetic (AFM) insulator to a high pressure ferromagnetic (FM) transport half-metal (tHM), characterized by a large spin polarization (~ 80-90 %). The FM-tHM transition is associated with a progressive quenching of the cooperative Jahn-Teller (JT) distortions which transform the $Pnma$ orthorhombic phase into a perfect cubic one (through a mixed phase in which JT-distorted and regular MnO6 octahedra coexist), and with a high-spin (S=2, m_Mn=3.7 mu_B) to low-spin (S=1, m_Mn=1.7 mu_B) magnetic moment collapse. These results interpret the progression of the experimentally observed non-Mott metalization process and open up the possibility of realizing CMR behaviors in a stoichiometric manganite.

研究动机与目标

• 研究钙钛矿型巨磁阻（CMR）母体化合物 LaMnO3 在压力作用下的结构、电子与磁性演化。
• 确定未掺杂的 LaMnO3 是否可在高压下表现出输运半金属铁磁性。
• 解决标准密度泛函理论（DFT）在描述锰氧化物中强电子关联与焦恩-特勒畸变方面的局限性。
• 探讨在未掺杂、本征锰氧化物中实现巨大磁阻（CMR）现象的可行性。
• 为实验上利用高压技术探索未掺杂氧化物中巨磁阻效应提供理论依据。

提出的方法

• 采用杂化密度泛函理论（HSE），并调节哈特里-福克交换成分参数（α = 0.10 至 0.35），以精确描述强电子关联与焦恩-特勒畸变。
• 通过维也纳从头算模拟程序（VASP）计算能量-体积曲线与结构参数，以识别压力下的相变行为。
• 追踪焦恩-特勒参数 Q2 与 Q3 的演化，量化晶格畸变及其随压力增加的抑制程度。
• 利用与 VASP 接口的 BoltzTrap 程序计算自旋依赖的态密度（DOS）、费米速度（vF）与自旋极化率（Pn），以评估输运半金属性质。
• 应用 Mazzin 公式（Pn = [N↑vF↑n − N↓vF↓n]/[N↑vF↑n + N↓vF↓n]）计算不同输运区域（n=0,1,2）的自旋极化率。
• 监测 t2g 与 eg 轨道的占据数变化，以关联电子结构变化与磁矩坍塌过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 未掺杂的 LaMnO3 是否可在高压下表现出输运半金属铁磁性？
• RQ2 焦恩-特勒畸变在 LaMnO3 压力诱导的绝缘体-金属转变与磁性相变中起何种作用？
• RQ3 高自旋（S=2）到低自旋（S=1）转变如何影响 LaMnO3 的电子与输运性质？
• RQ4 协同焦恩-特勒畸变的抑制在多大程度上导致立方对称性与半金属性质的形成？
• RQ5 高压相中的自旋极化率是否可达到或超过掺杂 CMR 锰氧化物的水平？

主要发现

• 当压力超过约 32 GPa 时，LaMnO3 从反铁磁绝缘体转变为铁磁输运半金属，临界体积比 V/V₀ ≈ 0.70。
• 该转变由焦恩-特勒畸变的逐步抑制所驱动，导致在 V/V₀ ≈ 0.76 时形成完全立方的钙钛矿结构（Pnma → 理想钙钛矿）。
• 在 V/V₀ = 0.70 至 0.65 之间，发生从高自旋（S=2，mMn=3.7 μB）到低自旋（S=1，mMn=1.7 μB）的磁矩坍塌，伴随电子从 eg↑ 轨道向 t2g↓ 轨道的转移。
• 在 V/V₀ = 0.65 时，自旋极化率达到 P₀ = 92%，P₁ = 87%，表明在多个输运区域均表现出强烈的输运半金属性质。
• 当 V/V₀ < 0.53（P > 300 GPa）时，半金属能隙关闭，标志向金属态转变，但 FM-tHM 相态可稳定维持至约 150 GPa。
• 计算得到的自旋极化率与掺杂 CMR 锰氧化物（如 La₀.₇Sr₀.₃MnO₃）相当，证实未掺杂 LaMnO3 在高压下具备实现类似 CMR 行为的能力。